水平旋轉(zhuǎn)下聚（N—異丙基丙烯酰胺）溫敏凝膠的制備

胡蓉蓉+熊小翠+張瑞連+馬文婷+肖新才

摘要：采用自制的密閉旋轉(zhuǎn)儀器，在前期基礎(chǔ)上制備了聚（N-異丙基丙烯酰胺）溫敏性凝膠，以提高聚N-異丙基丙烯酰胺的溫敏性。在以聚乙二醇400為致孔劑情況下，對(duì)影響溫敏凝膠成型的因素如旋轉(zhuǎn)速度、交聯(lián)劑含量、引發(fā)劑含量、致孔劑含量進(jìn)行了初步探索，結(jié)果表明：在親水環(huán)境下，ωBIS=5% （w/w）、ωAPS=1%（w/w）、VPEG400=2 mL、轉(zhuǎn)速100 r/min的條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)反應(yīng)可獲得較理想的溫敏凝膠。

關(guān)鍵詞：聚（N-異丙基丙烯酰胺）；水平旋轉(zhuǎn)；溫敏凝膠

中圖分類號(hào)：TQ427.26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2017）14-0272-04

1 引言

溫敏凝膠于20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)后得到廣泛關(guān)注[1]。溫敏凝膠是指吸水量在某溫度下會(huì)發(fā)生突變的一類聚合物，這一溫度指最低臨界溶解溫度（Lower critical solution temperature，LCST），其可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期釋藥，廣泛應(yīng)用于眼部給藥、鼻部給藥、直腸給藥以及注射給藥，在藥學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用[2]。溫敏凝膠的給藥途徑有口腔用、耳用、鼻用、眼用、皮膚用、聯(lián)合應(yīng)用[3]。

N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）為單體制備的溫敏凝膠是目前研究最多的一類凝膠，在生物分離[4]、藥物控釋[5]、生物降解[6]等方面，溫敏凝膠具有廣泛應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)PNIPAM在靜止?fàn)顟B(tài)下合成的凝膠有重力影響，凝膠力學(xué)性能差，響應(yīng)速度慢，限制了藥學(xué)、醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用[7]，筆者采用前期自制的水平旋轉(zhuǎn)儀器[8]，制備新型溫敏凝膠，擺脫了重力束縛，克服重力對(duì)凝膠的影響。微重力環(huán)境就是在其他外力或者重力作用下，引起的加速度可忽略不計(jì)的“零重量”情況，因此又稱為零重力，太空環(huán)境即屬于微重力環(huán)境。近年來(lái)，中國(guó)微重力科學(xué)研究進(jìn)展飛速，在微重力流體與燃燒、空間生命、空間材料和生物體技術(shù)等方面都有新的研究進(jìn)展[9]，微重力的應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛，在醫(yī)學(xué)[10]、航空航天[11]、測(cè)量[12]、植物[13]等領(lǐng)域，且都發(fā)揮了重大的作用。模擬微重力環(huán)境就是消除重力影響，根據(jù)微重力在細(xì)胞培養(yǎng)[14]方面作用原理可知，創(chuàng)建微重力環(huán)境需要注意水平旋轉(zhuǎn)的方式創(chuàng)造三維空間，真空的環(huán)境以避免剪切力，從而消除重力影響，實(shí)現(xiàn)接近理想的微重力環(huán)境。

在前期基礎(chǔ)上[8]，探索新型溫敏凝膠的制備，采用自制的密閉旋轉(zhuǎn)儀器來(lái)模擬微重力環(huán)境，采用兩頭開的玻璃管為制備容器，加入適量的NIPAM單體，交聯(lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）和引發(fā)劑過(guò)硫酸銨（APS），以超純水溶劑，加入催化劑N，N，N，N-四甲基乙二胺（TMEDA），在水平旋轉(zhuǎn)下制備的新型溫敏凝膠，具有更大的孔，孔洞結(jié)構(gòu)可以影響凝膠多方面性能，如溶脹率，再溶脹率等，多孔凝膠溶脹性能比無(wú)孔凝膠強(qiáng)，提高了響應(yīng)速率[15]。并且研究了旋轉(zhuǎn)速度、BIS含量、APS含量、PEG 400含量對(duì)凝膠成型的影響，以期得到性能更好的新型溫敏凝膠。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 試劑

聚乙二醇400（PEG400，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），N，N，N′，N′-四甲基乙二胺 （TMEDA），N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM，EP，TCI，東京化成工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)），N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS，BIOSHARP），過(guò)硫酸銨（APS，AR級(jí)，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑有限公司），超純水。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 新型聚（N-異丙基丙烯酰胺）凝膠的制備

采用自制旋轉(zhuǎn)儀器（如圖1所示）制備聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）溫敏凝膠，以13 cm長(zhǎng)、直徑1.5 cm兩頭開的玻璃管為制備容器，稱取2 g的NIPAM單體，一定量的交聯(lián)劑BIS和引發(fā)劑APS，溶解于20 mL超純水中，通氮?dú)?5 min，之后加入到玻璃管中旋轉(zhuǎn)，再量取20 μL的TMEDA溶入到3 mL煤油中用注射器注入到玻璃管中，在水平旋轉(zhuǎn)下反應(yīng)24 h，制備出BIS、APS含量不同的溫敏凝膠，探索多少含量的引發(fā)劑與交聯(lián)劑制備的溫敏凝膠性能較好，凝膠成型后取出浸泡在超純水中，隔2 h換一次水，以除去沒(méi)有反應(yīng)的試劑，泡一天后在冰箱冷凍，備用。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2.2 凝膠形貌的分析表征和測(cè)試

凝膠形貌表征：將干燥后樣用鋒利刀片切片表面噴金后，采用掃描電鏡（SEM）觀察凝膠表面形貌、結(jié)構(gòu)。

凝膠溶脹率（SR）：用電子天平秤量在不同溫度（23 ℃、26 ℃、29 ℃、32 ℃、35 ℃、38 ℃）下浸泡的溶脹率（SR）。凝膠在每個(gè)溫度下保持8 h后，用循環(huán)泵抽凝膠孔洞里的水，然后用濾紙吸干凝膠表面的水分，用天平質(zhì)量，并記錄下此溫度下的質(zhì)量Wt。凝膠溶脹率是在具體溫度下達(dá)到溶脹平衡時(shí)，此溫度下的吸水量與冷凍干凝膠的質(zhì)量W0之比，公式[16]：

凝膠再溶脹率（RSR）測(cè)定：將處理后干燥的樣，浸泡在超純水中，在24 h內(nèi)，每隔3h測(cè)一次質(zhì)量，測(cè)質(zhì)量前用濾紙吸干凝膠表面的水分，之后秤量此時(shí)的凝膠質(zhì)量，并記錄下此時(shí)的凝膠質(zhì)量Wt，再溶脹率為某時(shí)凝膠吸水量與溶脹最終平衡的質(zhì)量We之比，公式[16]：

凝膠保水率（WR）測(cè)定：20℃完全溶脹的凝膠擦干凈表面的水分用電子天平稱量其重W20℃，然后置于40℃恒溫水浴中使其退溶賬， 6 min后取出用濾紙擦表面的水分再稱量其重為Wt，某一時(shí)間的凝膠的吸水量與20℃吸收量之比，公式[18]：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 PNIPAM溫敏凝膠制備

在以超純水為溶劑的親水環(huán)境下，量取一定量的NIPAM與BIS溶解于超純水中，再量取一定量的制孔劑PEG400通N2后注入到玻璃管中在水平旋轉(zhuǎn)儀器中旋轉(zhuǎn)，稱量一定量的APS溶于超純水中通N2后用注射器注入到水平旋轉(zhuǎn)的玻璃管中，反應(yīng)24 h制備出PNIPAM溫敏凝膠， 其他量不變的情況下，改變引發(fā)劑APS的量，從5%、4%、3%凝膠成型，2%半成型，1%未成型，同樣在不改變其他量時(shí)，改變交聯(lián)劑BIS的量從5%減少到1%，制備出軟硬程度不同的PNIPAM凝膠，5%的BIS較好，如圖2是冷凍干燥后干凝膠測(cè)再溶脹率浸泡三天的NIPAM凝膠，未碎，比在疏水環(huán)境下制備的NIPAM凝膠性能較好。

3.2 聚乙二醇的量對(duì)凝膠的影響

稱量不同量的NIPAM單體及BIS，APS溶入到超純水中，加入致孔劑PEG400，改變致孔劑的量從5 mL到1 mL，凝膠都成型，PEG400量越多越軟，而且凝膠成型時(shí)間，力學(xué)性能，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同。如圖3，a是VPEG400=2 mL，mBIS=0.1 g，VTMEDA=20 μL 旋轉(zhuǎn)成型的PNIPAM溫敏凝膠冷凍干燥后噴金SEM觀察的形貌，而b是VPEG=1mL的SEM圖，對(duì)比a，b，VPEG400=2 mLPNIPAM的孔洞更大。實(shí)驗(yàn)表明，PEG400隨著反應(yīng)的發(fā)生內(nèi)嵌與凝膠內(nèi)部，并在超純水中浸泡后被水除去，在原有的位置留下孔洞，PEG400的量決定孔洞的數(shù)量，并會(huì)對(duì)水凝膠的性能產(chǎn)生很大影響。PEG400越多會(huì)影響凝膠的力學(xué)性能，含量不足又難以產(chǎn)生足夠的孔洞，VPEG400=2 mL PNIPAM凝膠有較好的彈性的同時(shí)擁有足夠的孔隙[17]。

3.3 旋轉(zhuǎn)對(duì)溫敏凝膠的影響

水平旋轉(zhuǎn)下制備新型溫敏凝膠，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對(duì)凝膠成型有很大影響，轉(zhuǎn)速過(guò)快，凝膠不易成型，多次試驗(yàn)探究得知100 r/min轉(zhuǎn)速適宜，如圖3，b是VPEG400=1 mL 旋轉(zhuǎn)成型的PNIPAM溫敏凝膠SEM圖，c是VPEG400=1 mL未旋轉(zhuǎn)成型的PNIPAM溫敏凝膠冷凍干燥后SEM圖，b、c對(duì)比旋轉(zhuǎn)與未旋轉(zhuǎn)孔洞有明顯區(qū)別，在微重力環(huán)境下旋轉(zhuǎn)的PNIPAM溫敏凝膠SEM圖孔洞大，且多，孔洞疏松，結(jié)構(gòu)明顯，這樣的結(jié)構(gòu)為水的進(jìn)出提供通道[17]，而c未旋轉(zhuǎn)的PNIPAM凝膠孔洞小，且少，致密。說(shuō)明微重力環(huán)境對(duì)凝膠的成型有很大影響。

3.4 PNIPAM溫敏凝膠溶脹率的測(cè)定

率曲線，PNIPAM溫敏凝膠響應(yīng)性依賴于溫度，隨溫度收縮與溶脹。隨溫度升高，凝膠溶脹率呈下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，凝膠的溶脹率急劇下降，32℃時(shí)明顯收縮脫水，32℃是最低溶解溫度（LCST）。當(dāng)溫度高于LCST時(shí)，凝膠的溶脹率逐漸變小，高于38℃時(shí)，凝膠溶脹率接近于零；溫度低于LCST 時(shí)，PNIPAM新型凝膠溶脹率明顯比普通凝膠大。

3.5 PNIPAM溫敏凝膠再溶脹率測(cè)定

將冷凍干燥后的干凝膠在26 ℃的超純水中浸泡，吸水溶脹24 h左右達(dá)到溶脹平衡，通常吸水自身重量的十倍甚至數(shù)十倍，圖5為 PNIPAM溫敏凝膠在超純水中測(cè)定的再溶脹率曲線，如圖可知，開始階段PNIPAM新型凝膠吸水溶脹率大于普通凝膠，具有較快的溶脹速度，初步認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)的情況下制備的PNIPAM新型溫敏凝膠，吸水更快。

3.6 PNIPAM溫敏凝膠保水率測(cè)定

將PNIPAM溫敏凝膠在20℃（低于LCST）與40℃（高于LCST）恒溫水浴中交替放置，每6 min測(cè)一次重量，循環(huán)交替稱量，6個(gè)周期（72 h），目的是探究凝膠對(duì)溫度的響應(yīng)情況[18]。凝膠在超純水中反復(fù)溶脹，發(fā)生周期性的溶脹-退溶脹，圖6 為PNIPAM溫敏凝膠保水率曲線，由圖可知VPEG400=1 mL與VPEG400=2 mL新型溫敏凝膠的保水率比普通溫敏凝膠較好， 且VPEG400=2 mL新型溫敏凝膠具有更好的保水率。

4 結(jié)論

本文采用自制的水平旋轉(zhuǎn)儀器，親水環(huán)境超純水為溶劑，引發(fā)劑為APS， 交聯(lián)劑為BIS，N-異丙基丙烯酰胺為單體，PEG400為致孔劑，TMEDA為催化劑，轉(zhuǎn)速為100r/min，制備了PNIPAM新型溫敏凝膠。對(duì)新型溫敏凝膠成型的條件如APS、BIS、PEG和旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行了初步探索。結(jié)果表明：親水環(huán)境下制備的PNIPAM溫敏凝膠性能較好，ωBIS=5%（w/w）、ωAPS=1%（w/w）、VPEG400=2 mL、轉(zhuǎn)速n=100 r/min，此條件下制備出了新型溫敏凝膠。

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